一、凝固收縮
凝(ning)固(gu)(gu)過(guo)程中(zhong)，液(ye)相(xiang)向(xiang)固(gu)(gu)相(xiang)轉變發(fa)生(sheng)的(de)(de)體收縮(suo)(suo)，加大(da)了(le)氮氣(qi)孔形成的(de)(de)敏感性，這主(zhu)要是因為凝(ning)固(gu)(gu)收縮(suo)(suo)促進(jin)了(le)液(ye)相(xiang)穿過(guo)枝(zhi)晶(jing)網狀(zhuang)結構或其他(ta)補(bu)(bu)縮(suo)(suo)通道(dao)向(xiang)疏松流(liu)動(dong)的(de)(de)補(bu)(bu)縮(suo)(suo)行為，導致了(le)疏松與其附近區(qu)域之間產生(sheng)了(le)新的(de)(de)壓(ya)力梯度，梯度方向(xiang)為補(bu)(bu)縮(suo)(suo)流(liu)動(dong)的(de)(de)反方向(xiang)，即VP。根(gen)據質量守恒和達西定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)(wei)例，心(xin)部處疏松和(he)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)共存的(de)形(xing)(xing)貌如圖2-63所(suo)示。由疏松導(dao)致的(de)不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)與(yu)(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)之(zhi)間最大的(de)區別在于，不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁凹凸不(bu)(bu)平(ping)，而(er)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁光滑(hua)。規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)以及(ji)疏松縮孔(kong)(kong)(kong)依次沿凝(ning)固方向分(fen)布(bu)，規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)泡(pao)初始(shi)形(xing)(xing)成位(wei)置為(wei)(wei)單一奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)。隨著凝(ning)固的(de)進行，在規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)完全(quan)閉合(he)之(zhi)前(qian)，由于疏松引起的(de)鋼液靜(jing)壓(ya)力Pm降低，促進了氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)的(de)進一步(bu)生長，不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)開始(shi)形(xing)(xing)成和(he)長大。眾(zhong)所(suo)周知，疏松是凝(ning)固體(ti)積縮無法(fa)得到枝晶間液體(ti)補縮所(suo)導(dao)致的(de)，那么(me)不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍(wei)的(de)相(xiang)(xiang)分(fen)布(bu)和(he)基體(ti)完全(quan)相(xiang)(xiang)同，即奧氏體(ti)相(xiang)(xiang)和(he)鐵素體(ti)相(xiang)(xiang)交替分(fen)布(bu)，與(yu)(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍(wei)相(xiang)(xiang)分(fen)布(bu)存在差(cha)異。
此(ci)外(wai)，對柱狀鑄(zhu)錠(ding)(ding)而(er)言，凝固(gu)末(mo)期由于(yu)發達枝(zhi)晶網狀結(jie)構的(de)(de)形成，凝固(gu)收縮(suo)得(de)不到液相(xiang)補充的(de)(de)位(wei)置(zhi)往往處于(yu)中心軸線位(wei)置(zhi)附近(jin)，那么D1~D4鑄(zhu)錠(ding)(ding)中不規則氣孔(kong)大多數分布在鑄(zhu)錠(ding)(ding)中心軸線位(wei)置(zhi)處，如圖2-50所示。不受疏松影響的(de)(de)規則氣孔(kong)形狀近(jin)似橢圓形，且(qie)多數分布在靠近(jin)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)的(de)(de)位(wei)置(zhi)。此(ci)外(wai)，鋼液靜壓力Pm隨(sui)著鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)的(de)(de)增加(jia)而(er)減小，因此(ci)氣孔(kong)的(de)(de)數量(liang)和尺(chi)寸均隨(sui)鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)增加(jia)而(er)大體呈現出增加(jia)的(de)(de)趨(qu)勢（圖2-50)。
二、主要(yao)合金元素和(he)凝固壓力
1. 氮
在鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固過程(cheng)中，隨著初始(shi)氮(dan)質量(liang)分(fen)數的增(zeng)加(jia)，氮(dan)在枝晶間殘(can)余液相中的富集程(cheng)度更(geng)加(jia)嚴重，［％N]1iq值更(geng)大(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相鋼為(wei)例，結合式（2-123)可得(de)，Pg,max也(ye)隨之增(zeng)加(jia)。當初始(shi)氮(dan)質量(liang)分(fen)數從0.25%(D2)增(zeng)加(jia)至0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝(ning)(ning)固和Scheil凝(ning)(ning)固而(er)言，［％N]ig的最大(da)值分(fen)別為(wei)1.03%和1.51%(圖(tu)2-51),Pg,max的增(zeng)量(liang)分(fen)別為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如(ru)圖(tu)2-64所(suo)示）。由(you)氣泡形(xing)成時(shi)的壓力關系可知，P.,max的增(zeng)加(jia)意味著液相中氮(dan)氣泡形(xing)成的概(gai)率增(zeng)大(da)，表明增(zeng)加(jia)初始(shi)氮(dan)質量(liang)分(fen)數大(da)幅(fu)度提(ti)高了鑄錠(ding)內出現氮(dan)氣孔缺陷的可能性。
為了驗(yan)證(zheng)理論(lun)計算結果，對(dui)D2、D3和(he)D4鑄錠內(nei)氮(dan)氣(qi)孔的(de)(de)分(fen)布狀態進行(xing)實驗(yan)分(fen)析，D2、D3和(he)D4凝固壓力均(jun)為0.1MPa,其氮(dan)質量分(fen)數分(fen)別為0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣(qi)孔形成高度從(cong)150mm降至(zhi)40mm,如(ru)圖2-64所(suo)示(shi)。因此，Pg,max隨著初(chu)始氮(dan)質量分(fen)數的(de)(de)增加(jia)而增大，液相中氮(dan)氣(qi)泡形成難度減小，氮(dan)氣(qi)孔易于在鑄錠內(nei)形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（如(ru)錳(meng)和(he)(he)鉻）能(neng)(neng)夠提(ti)高液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的溶解(jie)度，減小(xiao)(xiao)Aso值(zhi)(zhi)；其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)錳(meng)等合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)還(huan)能(neng)(neng)促(cu)進富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的形(xing)成，減小(xiao)(xiao)枝晶間液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的富(fu)集(ji)，緩(huan)解(jie)氮(dan)(dan)偏(pian)析，降低Ase值(zhi)(zhi)。如(ru)果合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)能(neng)(neng)夠減小(xiao)(xiao)Aso與(yu)Ase的總和(he)(he)，那么提(ti)高鋼中(zhong)(zhong)(zhong)該合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的質(zhi)量(liang)(liang)分數有(you)助于(yu)(yu)抑制(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)氣泡(pao)在殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)形(xing)成。合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)提(ti)高液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數的同(tong)時，還(huan)有(you)助于(yu)(yu)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)的形(xing)成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為例，在平衡凝(ning)固(gu)和(he)(he)Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)加合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)均能(neng)(neng)同(tong)時降低Aso和(he)(he)Ase的值(zhi)(zhi)，如(ru)圖2-65所示。與(yu)此同(tong)時，結合(he)(he)式（2-123),隨著合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)質(zhi)量(liang)(liang)分數增(zeng)加而大(da)幅度減小(xiao)(xiao)，如(ru)圖2-66所示。因此增(zeng)加鑄(zhu)錠中(zhong)(zhong)(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)的質(zhi)量(liang)(liang)分數有(you)助于(yu)(yu)抑制(zhi)(zhi)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)的形(xing)成，減少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷，該結論與(yu)Young等報道的一致(zhi)。
3. 鉻
與(yu)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)錳相(xiang)比，合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)氣孔形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響相(xiang)對(dui)復雜。一(yi)方面(mian)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)能提高液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解度和促(cu)進(jin)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（hcp 相(xiang)）在凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)值(zhi)，有(you)(you)助于抑制液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄錠為(wei)例，Aso隨鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律，如(ru)(ru)圖(tu)2-68所(suo)(suo)示。另(ling)一(yi)方面(mian)，鉻(ge)(ge)作(zuo)為(wei)鐵(tie)素(su)體相(xiang)8形成(cheng)元(yuan)素(su)，提高合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)有(you)(you)利于貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)體相(xiang)8的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)（圖(tu)2-67),從(cong)而(er)加(jia)劇(ju)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)偏析(xi)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)Ase(如(ru)(ru)圖(tu)2-68所(suo)(suo)示），對(dui)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)具(ju)有(you)(you)促(cu)進(jin)作(zuo)用。這(zhe)種矛盾在平衡凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)較為(wei)突出(chu)(chu)，當合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)從(cong)15%增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)至21.5%時，由于Ase的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)大于Aso的(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小(xiao)量(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所(suo)(suo)示；當合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)進(jin)一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至25%時，Ase和Aso分(fen)別增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大和減(jian)(jian)小(xiao)，但與(yu)Ase相(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)變(bian)化量(liang)十分(fen)明顯(xian)，進(jin)而(er)導(dao)致(zhi)Pg出(chu)(chu)現(xian)減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢。然(ran)而(er)，在Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)，隨著合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)提高，有(you)(you)助于Aso大幅度降低，Pg,max始終(zhong)保(bao)持單(dan)調遞減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所(suo)(suo)示。總之，隨著合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，Aso與(yu)Ase之和的(de)(de)(de)(de)變(bian)化非單(dan)調，合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)鉻(ge)(ge)對(dui)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡(pao)形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響呈(cheng)現(xian)出(chu)(chu)雙面(mian)性，同樣對(dui)鑄錠內氣孔的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)也(ye)具(ju)有(you)(you)雙面(mian)性。
4. 凝固(gu)壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼D1鑄錠為例，D1、D3和D5鑄錠的凝固壓力分別為0.04MPa、0.10MPa和0.13MPa,氮的質量分數分別為0.23%、0.26%和0.28%.隨著氮質量分數從0.23%(D1)增加至0.28%(D5)時，P.g,max在平衡凝固中從0.634MPa 增加至0.753MPa,在Scheil凝固中從0.618MPa增至0.707MPa,如圖2-70(a)所示。在不考慮凝固壓力對氮氣孔形成的影響時，基于初始氮質量分數對氮氣孔形成的影響規律，與D1和D3相比，D5鑄錠內氮氣孔缺陷最為嚴重。然而，當凝固壓力從0.04MPa(D1)增加至0.13MPa(D5)時，氮氣孔形成高度從0mm增加至260mm[圖2-70(b)],同時氮氣孔數量也明顯減少甚至消失。因此，增加凝固壓力是抑制和消除鑄錠中氮氣孔缺陷十分有效的手段之一。
然(ran)而(er)，壓(ya)力過高(gao)將會加(jia)(jia)速設備損耗，提高(gao)生(sheng)產成本且易引發生(sheng)產事故，影響(xiang)生(sheng)產的安全和順(shun)利(li)運行(xing)。因(yin)此，利(li)用加(jia)(jia)壓(ya)冶金技(ji)術制備高(gao)氮奧氏體不銹鋼過程中，需要合理地控(kong)制壓(ya)力。利(li)用加(jia)(jia)壓(ya)感應爐制備高(gao)氮奧氏體不銹鋼時(shi)，壓(ya)力P6可用以下公式(shi)確定：
